МЕТАЛЛОФИЗИКА, область современной физики, специально разрабатывающая вопросы строения и свойств металлов и сплавов. Как особая самостоятельная область знания М. оформилась совсем недавно, не более 15—20 лет тому назад. Однако предпосылки для развития М. возникли уже несколько десятилетий тому назад, когда бурное развитие металлургии стали и процессов обработки стали в твердом состоянии (ковка, прокатка, термическая обработка и т. д.) вызвало к жизни металлографию. Металлография, или, как теперь принято называть, металловедение, возникла в середине 19 в., в результате стремления понять строение металлич. слитков или изделий, подчас имевших при одинаковом химическом составе совершенно различные строение и свойства. После применения металл-микроскопа, вскрывшего структуру сплавов, металлография быстро развилась как отдел физич. химии, трактующий процессы затвердевания чистых металлов и их сплавов (т. е. растворов металлов).
В 20 в. металлография обладает уже огромным экспериментальным материалом в виде т. н. диаграмм состояния металлич. сплавов, показывающих, в каком порядке и в какой форме кристаллизуются отдельные части металлич. сплавов. Изучены процессы кристаллизации чистого вещества (Тамманн), процессы пластич. деформации и рекристаллизации, процессы закалки и отпуска стали и др. сплавов, зависимость механических и физич. свойств от состава и структуры. Металловеды умеют выращивать крупные монокристаллы металлов, обнаруживающие анизотропию механических и физич. свойств; умеют получать чистейшие металлы. Однако весь этот богатый опытный материал носит узко эмпирический характер. Металлография остается наукой, систематизирующей факты, и все ее закономерности, во многих случаях весьма ценные для техники, не сведены к общим закономерностям физики. Количественная сторона металлографии, закономерностей, по существу, весьма слабо изучена и не надежна. Открытие интерференции рентгеновых лучей, давшее строгое доказательство наличия у всех металлов правильной кристаллич. решотки, далее, открытие квантов, разработка теории электронов и теории атома, получивших свое развитие в современной волновой механике, — вся эта цепь блестящих открытий физики 20 в. сделала возможным обоснование М.
Все наиболее характерные свойства металлов — высокая электропроводность, теплопроводность, термоэлектричество, ферромагнитизм, термоионный эффект, интенсивное отражение света и т. п. — являются проявлением одной и той же физической сущности металлов, а именно, наличия в металлах электронов, легко отделяемых от атомов и движущихся внутри металлич. тел. Эти «свободные» электроны, или «электронный газ», легли в основу ряда теоретич. построений М. Не следует, однако, думать, что современная атомная физика оказалась уже в состоянии разрешить все металловедческие проблемы и построить количественную теорию металлов и сплавов. И на сегодня еще металловедческий эксперимент играет решающую роль в технике создания сплавов. Но, несмотря на это, М. дала и продолжает давать ряд ценных обобщений, расширяет и углубляет методы исследования физических свойств металлов и ставит новые проблемы. Одним из наиболее крупных и ценных достижений М. является исследование строения кристаллич. решоток, металлов и сплавов.
После открытия в 1912 (Лауэ) интерференции рентгеновых лучей в кристаллах возник рентгеновский структурный анализ, колоссально обогативший металлографию. Рентгеновский анализ позволил разрешить ряд следующих вопросов, либо вообще неразрешаемых, либо разрешимых лишь частично обычными металлографич. приемами: 1) определение симметрии кристаллич. решотки и распределения в ней атомов; 2) определение количества фаз; 3) определение величины зерна; 4) определение границ фазовых областей; 5) определение различных внутренних напряжений по искажению кристаллич. решотки; 6) определение расположения атомов в твердых растворах: упорядоченного, неупорядоченного; 7) определение кристаллографич. ориентировок зерен одной фазы или кристаллитов разных фаз. — В результате применения структурного рентгеновского анализа в наст. время исследованы решотки почти всех металлов, причем оказалось, что металлам свойственны решотки высокой симметрии, гл. обр. кубические и гексагональные, плотно упакованные. Далее обнаружена определенная зависимость между типом структуры металла и его положением в периодической системе элементов: металлы одной и той же группы имеют одинаковую решотку, напр., Li, Na, К, Rb, Cs — решотку центрированного куба с координационным числом 8; Be, Mg, Zn, Cd, Hg — гексагональную с координационным числом 12; Ge, Sn, Pd — кубич. решотку типа алмаза с координационным числом 4. Все 9 металлов VIII группы — γ-Fe, γ-Со, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt — имеют решотку куба с центрированными гранями с координационным числом 12. Рентгеновский анализ подтвердил наличие ранее открытых аллотропических модификаций ряда металлов и открыл новые. Так, оказалось, что Со и Ti имеют при обычных температурах гексагональную, плотно упакованную решотку, а выше 477° и 231° — кубическую с центрированными гранями. Fe до 906° имеет решотку центрированного куба, между 906° — 1.401° — куб с центрированными гранями, выше 1.401° — центрированный куб. Серое Sn имеет решотку типа алмаза, при 13° оно переходит в белое Sn с тетрагональной решоткой. Аллотропию показывают также Mn, Zr, Cd и др. металлы.
Большие достижения имеет М. в одной из наиболее темных областей металловедения — в области строения сплавов. До последнего времени было совершенно неясно, каким закономерностям подчиняются такие явления, как возникновение т. н. промежуточных интерметаллич. фаз, имеющих решотку, отличную от решотки составляющих сплав компонентов. Примерами таких фаз являются хим. соединения, не подчиняющиеся обычным правилам валентности: CuZn, Cu₃Al, AgMg, AgCd, AuZn, CoAl, FeAl и др.
Все эти интерметаллич. соединения имеют одинаковую решотку β-фазы, типа латуни или бронзы, т. е. решотку центрированного куба. При этом у всех этих соединений отношение числа валентных электронов к числу атомов постоянно и равно 3/2. Решотку γ-фазы, т. е. кубическую с большим периодом и большим числом атомов в ячейке, имеют соединения: Cu₅Zn₈, Cu₅Cd₈, Cu₃₁Sn₈, Ag₅Zn₈, Au₅Zn₈, Fe₅Zn₂₁, Co₅Zn₂₁, Na₃₁Pb₈ и др. Для всех этих соединений отношение числа валентных электронов к числу атомов равно 21/13. Далее, решотку ε-фазы, т. е. гексагональную, имеют соединения: CuZn₃, Cu₃Sn, AgZn₃, AuZn₃, Ag₃In, Au₃Hg. Для этих фаз отношение числа валентных электронов к числу атомов равно т. е. тоже постоянно. Все указанные фазы подчиняются правилу Юм — Розери, согласно которому металлич. соединения образуют вполне определенный тип кристаллич. решотки тогда, когда отношение числа валентных электронов атомов соединения к числу этих атомов равно либо 3/2, либо 21/13, либо 7/4. Эта закономерность, открытая впервые Юм — Розери и примененная к большой группе металлов, получила в последнее время дальнейшее развитие в работах Берналя, Джонса и Конобеевского (СССР, Москва). Здесь металлофизика связывает строение сплавов с первичными величинами, какими являются атомный номер, число валентных электронов и их распределение в атоме.
Рентгенографический анализ позволил определить также распределение атомов компонентов в решотке твердого раствора. Металлографы, изучая превращения в твердом состоянии, часто обнаруживали резкое изменение физич. свойств, напр., электропроводности при определенной термич. обработке однофазного твердого раствора, к-рый, казалось, не должен был бы иметь никаких превращений. Рентгенографическим путем было показано, что в основе подобных изменений свойств лежит переход атомов растворенных металлов из статистически неупорядоченного распределения по узлам кристаллич. решотки в упорядоченное, когда атомы данного элемента занимают тождественные места в кристаллич. решотке. В некотором случае упорядочению отвечает изменение типа решотки, в большинстве же случаев процесс упорядочения происходит в той же решотке при понижении температуры. В настоящее время известны многие интерметаллические соединения, получающиеся в твердом состоянии путем упорядочения атомов компонентов. Переход твердого раствора с неупорядоченным расположением атомов компонентов в упорядоченный раствор, т. е., по существу, в химич. соединение, сопровождается ростом электропроводности на 20—100—300%, так как интерметаллич. соединение обладает более правильным строением силового поля атомов, что облегчает проход электронов, т. е. увеличивает электропроводность. Образование интерметаллич. соединений в системах Fe—Pt, Со—Pt, Со—Pd приводит, повидимому, к созданию чрезвычайно интенсивных внутренних натяжений и связанных с ними высоких значений коэрцитивной силы и остаточной индукции этих ферромагнитных сплавов.
С помощью рентгенографии, анализа был решен также очень важный вопрос о механизме фазовых превращений в сплавах. Оказалось, что при выделении новой фазы из твердого раствора или при переходе одной фазы в другую существует определенная геометрии, связь между решоткой исходной фазы и решоткой новой фазы. Так, например, при выделении a-железа из γ-раствора (Видманштетовы фигуры) при высоких температурах, а также при образовании мартенсита из переохлажденного аустенита (т. е. γ-раствора) грань (011) и направление [111] феррита (мартенсита) совпадают с гранью (111) и направлением [101] в аустените. Общая закономерность, управляющая такой ориентировкой при превращениях, имеет чисто термодинамический характер: при кристаллографически ориентированном переходе в условиях относительно низкой температуры затрачивается минимальная работа.
Следствием определенной закономерности в величине атомного радиуса по периодич. системе является периодичность многих физич. свойств металлов. Так, например, абсолютная температура плавления и температура рекристаллизации обнаруживает правильную периодичность по Менделеевской периодич. системе. Удобнее всего воспользоваться величиной или , к-рая образует в функции атомного номера кривую, совершенно подобную кривой для атомного радиуса или атомного объема: в каждом периоде максимум отвечает одновалентному щелочному металлу, а при переходе к двух-трехвалентным и далее металлам с большой валентностью кривая снижается, чтобы опять подняться к началу нового периода. Такую же кривую дает сжимаемость, т. е. относительное уменьшение объема на единицу всестороннего сжатия. Щелочные металлы имеют максимальную сжимаемость (Бриджменом получено уменьшение объема до ⅓ начального), возрастающую по мере роста атомного веса в пределах данной группы. Подобную же кривую дает коэффициент линейного расширения, достигающий у щелочных металлов значений — против — у элементов с малым атомным объемом. Аналогичную кривую имеет величина, обратная минералогич. твердости, и, наконец, аналогичная кривая получается для электропроводности. Правда, для этого необходимо электропроводность брать не на 1 см³, а на 1 атом и не при одной и той же температуре для сравниваемых металлов, а при их «характеристических температурах». Характеристическая температура является весьма важной величиной, к-рая входит во все свойства, зависящие от температуры: теплоемкость, теплопроводность, электропроводность, коэффициент расширения и т. п. Характеристическая температура в общем характеризует температурное состояние тела, т. е. кинетическую энергию атомов и между-атомные силы, препятствующие тепловым колебаниям.
Современная М. и, в особенности, экспериментальная М. чрезвычайно расширила наши представления о зависимости электросопротивления металлов и сплавов от температуры и от состава сплавов. Оказалось, что электросопротивление металла может быть разложено на две части: на часть, зависящую от температуры и приближающуюся к нолю при приближении к абсолютному нолю, и на малозависящую от температуры часть, связанную с загрязнениями, т. е, с искажением кристаллич. решотки атомами примесей. В соответствии с этим чистые металлы имеют температурный коэффициент, близкий к , а твердые растворы, имеющие в десятки раз большее электросопротивление, чем чистые металлы, — температурный коэффициент, во много раз меньший, чем у чистых металлов. Ряд металлов обнаруживает сверхпроводимость (Камерлинг—Оннес, 1911), заключающуюся в том:, что при некоторой, весьма низкой температуре (порядка 1—10° абс.) электросопротивление скачком падает до неизмеримо малой величины (в миллионы раз меньшей, чем при комнатной температуре). В наст. время известны следующие сверхпроводники: Al, Ti, Th, V, Nb, Mo, Zn, Ga, In, Sn, Hg, Tl, Pb.
Магнитное поле при некоторой его величине уничтожает сверхпроводимость, передвигая скачок электропроводности к более низким температурам, Расследование хим. соединений и твердых растворов показало, что сверхпроводимость охватывает большой класс веществ, причем в сплавах температура скачка может быть на несколько градусов выше, чем у компонентов.
Нельзя не отметить интенсивного развития теории ферромагнетизма за последние 10 лет, Гейзенберг показал, что молекулярное поле Вейсса может быть объяснено энергией резонансного взаимодействия электронов. Акулов (СССР), Беккер, Керстен, Биттер, Бозорт и др. вскрыли законы анизотропии ферромагнитных кристаллов, влияние напряжений на кривые намагничивания ферромагнетиков, зависимость магнитных свойств сплавов от их общих констант (магнитострикция, магнитное насыщение). Даны общие закономерности для термо- и гальваномагнитных эффектов и упруго-магнитных явлений. Все эти эффекты у ферромагнетиков получили количественно выраженную теорию. В наст. время мы близки к предсказанию свойств новых ферромагнитных сплавов на основе определения их общих констант.